Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом. Кислотно-основные свойства атома азота на примере пиррола.

В пятичленных или небензоидных гетероциклах также образуется секстет делокализованных сопряженных p-электронов.

Каждая молекула гетероцикла – плоский пятиугольник. Рассмотрим электронное строение гетероциклов на примере пиррола.

Электроны азота под влиянием соседних связей располагаются также особым образом, а именно три электрона на sp²-гиб­ридных орбиталях, участвуют в образовании трех s-связей (две расходуются на атомы углерода, а одна на водород). Негибридизованная p-орбиталь с неподеленной парой электронов входит в сопряженный ароматический секстет.

Так как шестиэлектронное облако приходится на пяти-центровую систему, то она называется суперароматической в отличии от шестичленных гетероциклов, а азот называется "пиррольным". За счет пиррольного азота гетероциклическая система приобре­тает слабокислотный характер, т.е. водород в –NH– группе может замещаться на металлы.

При действии кислот пиррол проявляет ацидофобные свойства, при этом происходит нарушение ароматических свойств и образование неустойчивой диеновой системы с последующей полимеризацией.

Вопрос 3. Химические свойства и строение пиррола, индола и их производных. Биороль порфинов.

В фуране и тиофене секстет образуют 4 электрона от атомов углерода, а два электрона являются свободной парой атома кисло­рода и серы, т.е. также являются суперароматической системой и фактически лишены кислотных свойств.

Фуран, подобно пирролу ацидофобен, протонирование под действием кислот происходит, по-видимому предпочтительно по углеродным атомам ядра.

Образующиеся таким образом сопряженные кислоты атакуют молекулу фурана, в результате чего происходит полимеризация. Тиофен по свойствам напоминает бензол, более устойчив по отношению к кислотам, а сера инертна к различным реагентам.

Гетероциклические соединения родоначального ряда (пиррол, фуран, тиофен и др.) в природе почти не встречаются, но их производные широко распространены и имеют очень важное биологическое значение. Многие из них синтезируются в процес­се жизнедеятельности животных и растений. Строение этих соеди­нений часто оказывается очень сложным и установление их струк­туры представляет одну из сложнейших задач для химиков-органи­ков и биохимиков. Рассмотрим некоторые природные соединения гетероциклического ряда, имеющих важное физиологическое значе­ние.

Природные соединения пиррольного ряда

Важнейшим соединением названного ряда является порфин, молекула которого представляет собой сопряженную цикли­ческую систему из четырех пиррольных колец. Это устойчивое соединение ароматического характера. Пиррольные колъца разде­лены метеновой =СН– группой в положениях 2 и 5.

Порфины в свободном виде в природе не встречаются, но их циклическая система найдена в ряде природных соединений, в частности: в гемоглобине, витамине В₁₂, хлорофиле, цитохромах и т.д.

Впервые порфин был синтезирован Г.Фишером в 1929 году из пирролальдегида и муравьиной кислоты.

Порфины с углеродистыми заместителями называются порфиринами. Заместители, содержащие кратные связи, способны вступать в сопряжение с макроциклом и тем самым увеличивать делокализацию p-электронного облака в цикле, что при­дает таким соединениям большую устойчивость. Поэтому эти вещества представляют собой в основном тугоплавкие кристал­лические вещества. Порфирины в природе находятся в виде комп­лексов с металлами. Комплекс с железом представляет собой простетическую группу важных гемопротеидов: гемоглобин, цитохромы, ферменты (каталаза, пероксидаза и др.). В молекулах этих веществ железо обычно двухвалентно и такие комплексы называются гемами. Железо имеет координационное число шесть. Четыре места занимают пиррольные кольца, пятое место занимает белок глобин, а шестое кислород. Комплекс с белком называется гемоглобином.

В цитохроме С строение гема такое же, но пятым лигандом является азот аминокислоты–гистидина, а шестым атомом серы аминокислоты-метионина. Комплекс кобальта с порфириновым циклом представляет собой витамин B₁₂, пятым лигандом, в этом случае, является группа CN, шестым – атом азота бензимидазола.

Витамин В₁₂ (цианокобаламин) необходим для нормального кроветворения. Комплекс магния с порфирином – основа молекулы пигмента хлорофила, при участии которого растение ассимилирует углекислый газ из атмосферы, превращая его и воду в кислород и углеводы.

Индол – конденсированное гетероциклическое соединение состоящее из бензольного и пирролъного колец. По химическим свойствам напоминает пиррол (ацидофобен, проявляет слабокислотные свойства, вступает в реакции электрофильного замещения), но электрофильные реагенты в отличии от пиррола в основном вступают в b-положение или 3-положение.

Наиболее важное биологическое значение имеют такие вещества, производные индола, как триптофан, серотонин, индолилуксусная кислота и др.

Tpиптофан или α-амино-b(b’-индолил)уксусная кислота – "незаменимая aминокиcлoта", образующаяся при гниении белков. В зависимости от пути метаболизма триптофана в организме образуются разнообразные производные. Наиболее важное направление превращения триптофана – гидроксилирование с образованием серотонина.

Серотонин, или 5-окситриптамин – гормон, повышающий кровяное давление и вместе с тем регулирующий психическую деятельность. Предполагается, что серотонин является одним из нейромедиаторов головного мозга. Нарушение его нормального обмена в организме ведет к шизофрении. В норме серотонин окисляется в 5-гидрокси-b-ндолилуксусную кислоту и выводится с мочой.

Другой путь превращения триптофана происходит под влиянием гнилостных бактерий в кишечнике животных и чело­века. При этом образуется ядовитый триптамин, который при окислении дает b-индолилуксусную кислоту, называемую еще гетероауксином /ИУК/, последняя декарбоксилируется, превра­щаясь в 3-метилиндол или скатол. Скатол обладает неприятным запахом экскрементов. Общую схему превращения триптофана можно представить следующим образом:

Есть другие пути превращения триптофана, например, окислительный распад по связи C2-C3, приводящих к орто-аминофенолу, орто-аминобензойной кислоте и т.д.. Индольное кольцо входит также в состав так назы­ваемых галлюциногенов, при ввдении которых в организм человека происходит нарушение психической деятельности.

Так в мексиканских грибах семейства Psilocybe находится псилоцибин, вызывающий зрительные галюцинации,а из спорыньи злаковых получают диэтиламид лизергиновой кисло­ты, являющейся антагонистом серотонина. Синтетический лекарст­венный препарат индопан обладает антидепрессивным действием.

Индол входит также в состав синего красителя-индиго, полу­ченного окислением индоксила, содержащегося в соке растения вида Indigotera.

В основе алкалоидов Harmaja лежит линейная трициклическая структура, родственная одновременно индолу и пиридину: родоначальное соединение такого типа циклов носит название b-карболина. Сходное строение имеют более важные алкалоиды Iohimbe, из них наиболее важное значение имеет резерпин. Это соединение находит широкое применение при лечении гипертонической болезни, а также как успокаивающее средство (транквилизатор), действующий на центральную нервную систему. Транквилизирующее действие, по-видимому, обусловлено понижением концентрации серотонина в мозге.